Pour la première fois, les chercheurs ont pu enregistrer, image par image, comment un électron interagit avec certaines vibrations atomiques dans un solide. La technique capture un processus qui provoque généralement une résistance électrique dans les matériaux tandis que, chez les autres, peut provoquer l'exact opposé :l'absence de résistance, ou supraconductivité.

"La façon dont les électrons interagissent les uns avec les autres et leur environnement microscopique détermine les propriétés de tous les solides, " a déclaré MengXing Na, un doctorat de l'Université de la Colombie-Britannique (UBC) étudiant et co-auteur principal de l'étude, publié la semaine dernière dans Science . "Une fois que nous avons identifié les interactions microscopiques dominantes qui définissent les propriétés d'un matériau, nous pouvons trouver des moyens de « monter » ou de « baisser » l'interaction pour obtenir des propriétés électroniques utiles. »

La maîtrise de ces interactions est importante pour l'exploitation technologique des matériaux quantiques, y compris les supraconducteurs, qui sont utilisés dans les appareils d'IRM, trains à lévitation magnétique à grande vitesse, et pourrait un jour révolutionner le transport de l'énergie.

A des échelles minuscules, les atomes de tous les solides vibrent constamment. Les collisions entre un électron et un atome peuvent être considérées comme un événement de « diffusion » entre l'électron et la vibration, appelé un phonon. La diffusion peut amener l'électron à changer à la fois sa direction et son énergie. De telles interactions électron-phonon sont au cœur de nombreuses phases exotiques de la matière, où les matériaux présentent des propriétés uniques.

Avec le soutien de la Fondation Gordon et Betty Moore, l'équipe du Stewart Blusson Quantum Matter Institute (SBQMI) de l'UBC a développé une nouvelle source laser ultraviolette extrême pour permettre une technique appelée spectroscopie de photoémission à résolution temporelle pour visualiser les processus de diffusion des électrons à des échelles de temps ultrarapides.

"En utilisant une impulsion laser ultracourte, nous avons excité des électrons individuels loin de leur environnement d'équilibre habituel, " a déclaré Na. ​​" En utilisant une seconde impulsion laser comme obturateur de caméra efficace, nous avons capturé comment les électrons se dispersent avec les atomes environnants sur des échelles de temps plus rapides qu'un trillionième de seconde. En raison de la très grande sensibilité de notre configuration, nous avons pu mesurer directement - pour la première fois - comment les électrons excités interagissaient avec une vibration atomique spécifique, ou phonon."

Les chercheurs ont réalisé l'expérience sur du graphite, une forme cristalline de carbone et le composé parent de nanotubes de carbone, Balles Bucky et graphène. L'électronique à base de carbone est une industrie en pleine croissance, et les processus de diffusion qui contribuent à la résistance électrique peuvent limiter leur application en nanoélectronique.

L'approche s'appuie sur une installation laser unique conçue par David Jones et Andrea Damascelli, et développé par le co-auteur principal Arthur Mills, au UBC-Moore Center for Ultrafast Quantum Matter. L'étude a également été soutenue par des collaborations théoriques avec les groupes de Thomas Devereaux à l'Université de Stanford et Alexander Kemper à l'Université d'État de Caroline du Nord.

"Grâce aux récents progrès des sources laser pulsées, nous commençons tout juste à visualiser les propriétés dynamiques des matériaux quantiques, " dit Jones, professeur au SBQMI et au département de physique et d'astronomie de l'UBC.

« En appliquant ces techniques pionnières, nous sommes maintenant sur le point de révéler le mystère insaisissable de la supraconductivité à haute température et de nombreux autres phénomènes fascinants de la matière quantique, " dit Damascelli, directeur scientifique de la SBQMI.